图注：发育中外胚层（epiblast）的极化细胞（蓝色所示）会根据其与不同组织边界的相互作用形成有序排布模式，如右侧模型所示。[图源：Takafumi Ichikawa、Pamela Guruciaga、Anna Erzberger，欧洲分子生物学实验室（EMBL）创意团队]
发表于《自然·材料》（Nature Materials）、题为《边界几何特征调控决定胚胎发育中管腔成核的拓扑缺陷转变》的最新研究中，欧洲分子生物学实验室（EMBL）的研究人员阐述了组织几何特征之间的相互作用如何影响发育过程。
在早期小鼠胚胎中，外胚层细胞发生极化，可分化形成所有主要组织类型。研究团队探究了调控大量极化细胞行为的基本规律，以及组织边界处物理约束的作用。通过研究细胞取向如何相互影响并作用于其所处微环境，研究人员构建了一个极简模型，可预测上述相互作用改变时细胞排布的变化规律。
“作为一名物理学家，我或许能解释某一现象的机制，但在复杂的生物系统中亲眼验证这些机制的真实性，仍有一种不可思议的感觉。”EMBL博士后研究员、本研究共同第一作者Pamela Guruciaga博士表示，“从纯物理学视角出发，搭建一套可与生物学家合作的通用语言，这一过程也非常有趣。”
研究结果显示，在杯状结构的外胚层中，不同边界会诱导外胚层细胞产生不同的取向：当边界衬有细胞外基质时，细胞垂直于边界排布；反之，当外胚层无基质间隔、直接与相邻组织接触时，细胞平行于边界排列。研究人员发现，这两种取向模式共同作用会产生名为“拓扑缺陷”的结构。
“拓扑缺陷是空间中无法定义物体朝向的位点。”Guruciaga解释道，“例如，如果一组箭头呈星爆状排列，其中心就是一个所有方向等价的位点。这类位点的稳定性极强，很难被破坏，因此具有十分重要的生物学意义。”
为直接验证边界形状是否调控缺陷数量，研究人员改变了外胚层的几何特征。扰动胚胎形状后，可在预测位置诱导形成额外的管腔。
“最令我兴奋的是，这些结果揭示了一个极具普适性的物理学原理。”EMBL研究组组长、本研究共同通讯作者Anna Erzberger博士表示，“我们证实，仅几何特征就可决定三维空间中的取向排布模式，与系统的微观细节无关。这意味着形状本身可作为一个稳定的调控参数——不仅适用于胚胎，还可推广到一系列生物和物理系统中。”
专业注释
- 外胚层（epiblast）：早期胚胎中分化为所有成体组织的干细胞层
- 拓扑缺陷：有序排布系统中局部取向不明的高稳定特殊位点
- 管腔成核：生物体内管状/囊状结构形成的关键起始步骤